劉安邦

（西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安710065）

煤儲(chǔ)層多級(jí)強(qiáng)脈沖加載壓裂破巖機(jī)理理論研究

劉安邦

（西安石油大學(xué)石油工程學(xué)院，陜西西安710065）

針對(duì)我國(guó)煤儲(chǔ)層“三低”的特性及煤氣井單井產(chǎn)量較低的難題，研究多級(jí)強(qiáng)脈沖壓裂技術(shù)的加載壓裂破巖機(jī)理。依據(jù)巖石破裂的第一強(qiáng)度理論，建立力學(xué)模型，為多級(jí)強(qiáng)脈沖加載下的煤巖體破裂提供了理論依據(jù)。研究結(jié)果表明：火藥在井筒中燃燒產(chǎn)生大量高溫、高壓氣體不斷往射孔孔眼中噴射，致使射孔孔眼內(nèi)壓力不斷升高。當(dāng)其壓力大于煤巖體破裂壓力時(shí)，煤儲(chǔ)層發(fā)生破裂產(chǎn)生裂縫，煤儲(chǔ)層壓力得到釋放，煤層氣得到解吸，解吸的煤層氣通過(guò)產(chǎn)生的裂縫形成有效的滲流過(guò)程，從而提高了煤層氣井的單井產(chǎn)量。

煤儲(chǔ)層；多級(jí)強(qiáng)脈沖；壓裂；破巖

1 煤儲(chǔ)層壓裂開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，隨著我國(guó)常規(guī)石油和天然氣儲(chǔ)量的不斷減小，開(kāi)采難度和成本的不斷增加，煤層氣作為非常規(guī)能源在我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占的比重愈來(lái)愈大。由于我國(guó)的煤層多為結(jié)構(gòu)煤，其煤儲(chǔ)層在成煤階段后期多發(fā)生強(qiáng)烈的構(gòu)造破壞作用，造成煤的原生結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重，這嚴(yán)重阻礙了煤層氣的解吸，從而難以形成有效的滲流過(guò)程。同時(shí)，煤儲(chǔ)層原地應(yīng)力較大及其低含氣飽和度、低滲透率、低壓力的“三低”特性也極大地增強(qiáng)了其開(kāi)發(fā)難度[1]。目前，我國(guó)煤層氣開(kāi)發(fā)主要運(yùn)用傳統(tǒng)的水力壓裂技術(shù)產(chǎn)生裂縫，從而改善煤儲(chǔ)層的滲流狀況的儲(chǔ)層改造措施。但由于其只能沿垂直最小主應(yīng)力軸方向形成對(duì)翼的一條裂縫，裂縫的產(chǎn)生受地應(yīng)力的影響比較大且水力壓裂需要大型的壓裂設(shè)備及合適的壓裂液，其成本較高，這極大地制約了我國(guó)煤層氣的有效開(kāi)發(fā)。

截至2012年12月，美國(guó)累計(jì)完鉆的煤層氣井約38 000口，平均單井日產(chǎn)氣量超過(guò)3 632 m3。而截至2013年12月，我國(guó)累計(jì)完鉆煤層氣井14 000余口，全國(guó)平均單井日產(chǎn)氣約572 m3。平均單井產(chǎn)量低已成為制約我國(guó)煤層氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸[2]。由于煤儲(chǔ)層“三低”的特性，其儲(chǔ)層產(chǎn)能較低甚至沒(méi)有自然產(chǎn)能、儲(chǔ)層滲流能力較差的特點(diǎn)決定了必須依靠通過(guò)進(jìn)行煤儲(chǔ)層改造技術(shù)才能維持正常生產(chǎn)的基本開(kāi)發(fā)模式，而水力壓裂井單井產(chǎn)量較低的矛盾就需要探索和發(fā)展新的儲(chǔ)層改造技術(shù)以提高其單井產(chǎn)能。

2 多級(jí)強(qiáng)脈沖加載壓裂技術(shù)作用原理

西安石油大學(xué)從1985年開(kāi)始開(kāi)展了高能氣體壓裂機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究，經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，目前研究出的多級(jí)強(qiáng)脈沖加載壓裂技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐運(yùn)用，取得了較為良好的效果。其作用機(jī)理是以多種燃速?gòu)?fù)合壓裂藥優(yōu)化組合匹配，結(jié)合特有的隔斷延時(shí)控制技術(shù)[3]，通過(guò)其燃燒產(chǎn)生大量高溫、高壓氣體的連續(xù)有序釋放，形成多級(jí)高壓脈沖波（多個(gè)峰值壓力）（見(jiàn)圖1）。首先在射孔層段產(chǎn)生第一級(jí)高壓脈沖波，其壓力大于地層破裂壓力1.5～2.5倍，沿射孔通道進(jìn)入地層，快速起裂壓開(kāi)地層，形成3～5條裂縫；隨后的第二、三級(jí)高壓脈沖波連續(xù)補(bǔ)充能量，對(duì)地層再實(shí)施2～3次高壓沖擊波加載壓裂，繼續(xù)促使裂縫快速延伸，以進(jìn)一步延伸地層裂縫[4]；從而在地層形成較長(zhǎng)的多裂縫體系，裂縫長(zhǎng)度可達(dá)4 m～12 m（見(jiàn)圖2）。通過(guò)對(duì)地層實(shí)施多次連續(xù)高壓脈沖波加載壓裂，使地層產(chǎn)生和形成多條較長(zhǎng)的裂縫體系，提高了溝通天然裂縫的概率，擴(kuò)大了有效的采油范圍；其產(chǎn)生的大量熱量，經(jīng)過(guò)與地層流體傳熱后，可以使瞬間油井溫度提高數(shù)百度[5]，具有融化蠟質(zhì)、改善地層孔隙度和滲透性的作用，達(dá)到改善地層、提高油井產(chǎn)量的目的。

圖1 多脈沖加載壓裂壓力-脈沖曲線（Ⅰ型）

圖2 多脈沖加載壓裂技術(shù)裂縫示意圖

3 煤儲(chǔ)層多級(jí)強(qiáng)脈沖加載壓裂破巖機(jī)理

3.1 煤儲(chǔ)層裂隙的破巖依據(jù)

（1）假定煤儲(chǔ)層為各向同性彈性介質(zhì)[6]，雖然煤儲(chǔ)層中存在大量割理結(jié)構(gòu)，但其寬度遠(yuǎn)小于多級(jí)脈沖壓裂引起的應(yīng)力波長(zhǎng)，應(yīng)力波傳至微裂縫時(shí)將發(fā)生明顯衍射現(xiàn)象，整體應(yīng)力分布基本不會(huì)有明顯變化，因此，可近似煤儲(chǔ)層為各向同性彈性介質(zhì)。

（2）假定位移沿重力方向不隨方位改變而變化，即應(yīng)力處于平面應(yīng)變狀態(tài)。

（3）假定體積力為零。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了較多的破裂壓力計(jì)算方法，如Eaton法、Stephen法、Anderson法、黃氏模式法等[7]，而壓裂中應(yīng)用較廣泛的為最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，即第一強(qiáng)度理論。該理論認(rèn)為引起材料脆性斷裂破壞的因素是最大拉應(yīng)力，無(wú)論什么應(yīng)力狀態(tài)，只要構(gòu)件內(nèi)一點(diǎn)處的最大拉應(yīng)力σ1達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下的極限應(yīng)力σb，材料就視為要發(fā)生脆性斷裂。由此可知，煤儲(chǔ)層在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生脆性斷裂破壞的臨界條件是：σt=σb。

煤儲(chǔ)層在原始狀態(tài)下受最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力及垂向應(yīng)力的作用而處于應(yīng)力平衡狀態(tài)。選取一個(gè)含有微裂隙的體積單元，建立力學(xué)模型（見(jiàn)圖3），記裂隙方向角，即裂隙面與軸向應(yīng)力夾角為α，軸向應(yīng)力、水平應(yīng)力分別為α1、α2，p為煤層氣壓力。則垂直于裂隙面的正應(yīng)力、剪應(yīng)力分別為：σ=σ1cos2α+σ2sin2α-p，。

煤儲(chǔ)層裂隙受上述應(yīng)力作用時(shí)，通常表現(xiàn)為壓剪或拉剪破壞。研究指出[8]，煤儲(chǔ)層的裂隙擴(kuò)展受煤層氣壓力、原始地應(yīng)力等綜合因素的影響，裂面法向正應(yīng)力的性質(zhì)（拉力、壓力）促使裂隙面表現(xiàn)為拉剪破壞或者壓剪破壞。煤儲(chǔ)層裂隙的擴(kuò)展總是處于應(yīng)力集中的方位。裂隙在地應(yīng)力、煤層氣壓力作用下表現(xiàn)為壓剪破壞，因此正應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力。

圖3 裂隙面力學(xué)分析

根據(jù)摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則[9]，裂隙面產(chǎn)生摩擦滑動(dòng)的有效剪應(yīng)力τeff為：式中：τc-內(nèi)聚力；μ-煤巖材料內(nèi)摩擦系數(shù)。

根據(jù)材料力學(xué)理論，當(dāng)裂紋表面的法向正應(yīng)力為拉應(yīng)力時(shí)，裂紋擴(kuò)展問(wèn)題屬于斷裂力學(xué)中Ⅰ-Ⅱ型復(fù)合裂紋問(wèn)題，當(dāng)裂紋表面的法向正應(yīng)力為壓應(yīng)力時(shí)，裂紋擴(kuò)展問(wèn)題屬于純Ⅱ型裂紋問(wèn)題。根據(jù)斷裂力學(xué)，Ⅱ型裂紋擴(kuò)展判據(jù)為:KⅡ=KⅡC，其中，KⅡ?yàn)閹r石Ⅱ型應(yīng)力強(qiáng)度因子，KⅡC為巖石Ⅱ型斷裂韌度值，a為裂紋半長(zhǎng)。

3.2 多級(jí)強(qiáng)脈沖加載壓裂破巖機(jī)理

如圖4所示，火藥在泄氣管內(nèi)燃燒產(chǎn)生高溫、高壓氣體，并以1 000 m/s以上的速度從泄氣孔中噴射而出，由于射流速度高，液流環(huán)空距離短，一般不會(huì)在環(huán)空射流斷裂[10]?？梢哉J(rèn)為，從泄氣孔噴射的全部氣流流入射孔孔眼，在射孔孔眼內(nèi)迅速聚集，并形成高壓（見(jiàn)圖4）。

圖4 氣流很高時(shí)形成連續(xù)的氣體射流

從射孔孔眼噴射出的火藥燃燒氣體的質(zhì)量流速為：

式中：k-燃?xì)獗葻岜龋籶-槍身內(nèi)壓力；s-射孔孔眼的面積；RT0-槍身內(nèi)火藥定壓火藥力；g-重力加速度。

可以看出，根號(hào)內(nèi)數(shù)值基本上取決于泄氣管內(nèi)所裝填火藥的性質(zhì)，當(dāng)火藥裝藥結(jié)構(gòu)在一定的情況下基本是一個(gè)定量。通過(guò)射孔孔眼的質(zhì)量流速主要取決于p和s，即泄氣管內(nèi)壓力p和射孔孔眼的面積s。壓力越大，射孔孔眼越大，質(zhì)量流速越大。質(zhì)量流量為：

式中：m-質(zhì)量流速；W-總裝藥量；t-作用時(shí)間。

瞬時(shí)射孔孔眼內(nèi)的壓力為：

式中：pi-燃燒氣體在第i個(gè)孔眼產(chǎn)生的壓力；f-火藥力；φi-火藥燃燒壓力pi時(shí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；V-定孔眼容積；α-火藥余容。

當(dāng)井筒內(nèi)的燃?xì)鈮毫max＞pi時(shí)，火藥燃燒氣流就不斷往射孔孔眼中噴射，射孔孔眼壓力不斷升高。

運(yùn)用煤儲(chǔ)層裂隙破裂理論，即最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則可知，當(dāng)射孔孔眼內(nèi)壓力達(dá)到煤儲(chǔ)層的破裂壓力時(shí)，煤儲(chǔ)層發(fā)生破裂產(chǎn)生大量的裂隙，從而降低煤儲(chǔ)層應(yīng)力使煤層氣解吸并形成有效滲流，提高煤氣井單井產(chǎn)能。射孔孔眼內(nèi)的火藥燃燒氣體迅速泄入煤儲(chǔ)層，射孔孔眼內(nèi)壓力下降，槍身內(nèi)的氣流繼續(xù)向射孔孔眼內(nèi)流動(dòng)，這樣就形成一個(gè)連續(xù)地多級(jí)強(qiáng)脈沖過(guò)程，促使煤儲(chǔ)層裂隙的不斷產(chǎn)生和延伸從而進(jìn)一步增強(qiáng)其導(dǎo)流能力。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)煤儲(chǔ)層各向同性及平面應(yīng)力狀態(tài)的假定，運(yùn)用儲(chǔ)層裂隙破裂理論建立力學(xué)模型分析了儲(chǔ)層的力學(xué)性質(zhì)，為多脈沖加載壓裂技術(shù)的破巖作用找到了其理論依據(jù)。

（2）煤儲(chǔ)層中有著大量天然割理的存在，可通過(guò)儲(chǔ)層改造技術(shù)產(chǎn)生裂縫并連接天然裂縫以提高其滲流及導(dǎo)流能力，提高煤層氣井單井產(chǎn)量。多級(jí)強(qiáng)脈沖加載壓裂技術(shù)可以破裂煤巖體，在儲(chǔ)層中產(chǎn)生較多較長(zhǎng)的多裂縫體系，并且其不受地應(yīng)力影響，明顯改善了煤儲(chǔ)層的導(dǎo)流能力，從而達(dá)到了提高煤儲(chǔ)層單井產(chǎn)量的目的。

（3）開(kāi)展煤儲(chǔ)層多級(jí)強(qiáng)脈沖加載壓力破巖機(jī)理研究將有利于我國(guó)煤層氣的有效開(kāi)發(fā)，并為非常規(guī)天然氣的開(kāi)采提供新的思路。

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Theoretical study of multi-level strong pulse loading fracturing mechanism of rock fragmentation in coal reservoir

LIU Anbang
（College of Petroleum Engineering，Xi'an Shiyou University，Xi'an Shanxi 710065，China）

Aimed at the"three low"characteristics of coal reservoir and the problem of low single gas well production,strong multistage pulse fracturing technology of loading the fracturing mechanism of rock fragmentation has been studied.According to the first strength theory of rock burst,mechanical model is set up and it provides a theoretical basis for coal and rock burst under the loading of in multistage strong pulse.The study shows gunpowder combustion produces a large number of high temperature and high pressure gas in well-bore and it jet perforation constantly,which lead to the pressure in perforation increasing.When the pressure is greater than the coal and rock burst,the coal reservoir fracture cracks and its pressure releases,which coal-bed methane get desorbed.Desorption of coal-bed methane formed effective seepage process through the cracks,which improve the single well production in CBM wells.

coal reservoir；multistage strong pulse；fracturing；rock breaking

TE357

A

1673-5285（2017）01-0033-04

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.01.010

2016－12-06

陸相頁(yè)巖氣儲(chǔ)層壓裂改造工藝技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2012KTZB03-03-03-02。

劉安邦（1992-），碩士研究生，現(xiàn)就讀于西安石油大學(xué)油氣田開(kāi)發(fā)工程專業(yè)，主要研究方向?yàn)椴捎蜌夤こ汤碚撆c技術(shù)，郵箱：1543361986@qq.com。